【摘 要】
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铜-钢层合板是指由碳钢层和铜层组合成整体板材的新型复合材料,在电子、电器等领域可广泛地代替纯铜,节省大量的铜金属资源。激光弯曲成形是利用高能激光束扫描板材,使板材产生弯曲变形的柔性成形技术,适合产品研发、单件小批量生产等。电子器件中的结构件(如闸刀开关刀夹座)等结构复杂,在研发阶段适合通过激光弯曲来成形,仅利用激光正向弯曲会造成加工干涉,因此必须结合激光反向弯曲来成形。本文以铜-钢层合板(T2/S
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目,项目名称为“金属层合板件激光协调弯曲机理及其成形规律研究”,基金号为51375073;
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铜-钢层合板是指由碳钢层和铜层组合成整体板材的新型复合材料,在电子、电器等领域可广泛地代替纯铜,节省大量的铜金属资源。激光弯曲成形是利用高能激光束扫描板材,使板材产生弯曲变形的柔性成形技术,适合产品研发、单件小批量生产等。电子器件中的结构件(如闸刀开关刀夹座)等结构复杂,在研发阶段适合通过激光弯曲来成形,仅利用激光正向弯曲会造成加工干涉,因此必须结合激光反向弯曲来成形。本文以铜-钢层合板(T2/SPCC/T2)为对象,通过实验和有限元模拟,研究铜-钢层合板激光反向弯曲成形规律,弯折区材料性能以及成形机理,主要工作内容如下:(1)铜-钢层合板激光反向弯曲成形规律实验。根据单因素实验,反向弯曲角度随功率P及扫描次数N的增大而增大,随扫描速度v的增大而减小,21mm≤Z≤23mm时,反向弯曲角度随离焦量的增大而增大,23mm<Z≤29mm时,反向弯曲角度随离焦量的增大而减小。通过正交实验,得到扫描次数N是影响反向弯曲角度大小的最主要因素。(2)铜-钢层合板激光弯折区材料性能研究。观察弯折区的显微组织,反向弯曲后,晶粒由原来细长型的晶粒变成等轴晶粒,且晶粒发生长大。通过硬度检测试验,紫铜层及碳钢层硬度分别下降28.31%、10.26%。通过拉伸试验,反向弯曲后,弯折区强度降低约19.89%~32.93%,塑性提高约12.34%~20.85%,材料性能仍满足行业标准要求。提出闸刀开关刀夹座激光弯曲成形的方法,成形了刀夹座样件。(3)铜-钢层合板激光反向弯曲数值模拟。基于ABAQUS有限元分析平台,建立了铜-钢层合板激光反向弯曲有限元模型。考虑预弯曲的板材结构形式,通过两次热-结构耦合来模拟铜-钢层合板激光反向弯曲成形,并对温度场、应力应变场、位移场等进行分析。采用热电偶及激光位移传感器进行了有限元模型验证实验,模拟结果与实验结果趋势吻合,最大相对误差为5.2%。(4)铜-钢层合板激光反向弯曲机理分析。在激光输入能量、傅里叶数、温度场、应力场四个方面,总结铜-钢层合板激光反向弯曲机理工艺参数特征,预弯曲时,厚度方向温度梯度可达774.63 K,而反弯曲时,厚度方向温度梯度仅约120 K,因此,铜-钢层合板激光反向弯曲成形的成形机理可以认为是屈曲机理,基于屈曲机理的工艺参数,扫描预弯曲的铜-钢层合板便会产生反向弯曲。本文通过实验及数值模拟的方法研究了铜-钢层合板激光反向弯曲成形,探究了激光反向弯曲成形规律、弯折区材料特性,明确了激光反向弯曲成形机理,对指导激光反向弯曲实验,复杂构件的激光弯曲成形提供了理论和实验基础。
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